Химический анализ чугуна

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Химический институт им. А.М. Бутлерова

Кафедра аналитической химии

Специальность: 04.05.01 – Фундаментальная и прикладная химия

 

 

 

 

АХТЯМОВ АЛМАЗ АЗАТОВИЧ

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

АНАЛИЗ ЧУГУНА

 

 

Студент 2 курса

Группа 07-402

"04" мая 2016 г.    __________________  (А.А.Ахтямов)

 

 

 

Научный руководитель

к.х.н., доцент,

"04" мая 2016 г.     ___________________  (Е.Е. Стойкова)

 

 

 

 

 

 

Казань – 2016

 

Содержание

1. Литературный обзор…………………………………………………...……........3

2. Экспериментальная часть …………………………………………………..…...8

2.1 План-схема анализа ……………………………………..………….......8

2.2 Качественный анализ  …………………………………..……………....9

2.3 Количественный анализ  ………………………………………............12

3. Выводы…………………………………..…………………………………….....19

4. Список литературы ……………………………………………………………...20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Литературный  обзор

Чугуном называется сплав железа с углеродом, содержащий углерода от 2.14 до 6.67%. Чугун — дешевый  машиностроительный  материал,  обладающий хорошими литейными качествами. Он является сырьем для выплавки стали. Получают чугун из железной руды с помощь топлива и флюсов.

Получение чугуна — сложный химический процесс.

Он состоит из трех стадии: восстановления железа из окислов, превращения железа в чугун и шлакообразования.

Свойства чугуна зависят главным образом от содержания в нем углерода и других примесей, неизбежно входящих в его состав: кремния (до 4.3%), марганца (до 2%), серы (до 0.07%) и фосфора (до 1.2%).

Углерод — один из главных элементов в чугуне. В зависимости от количества и состояния входящего в сплав углерода получаются те или иные сорта чугуна.

С железом углерод соединяется двояко: в жидком чугуне углерод находится в растворенном состоянии, а в твердом — в химически связанном с железом или в виде механической примеси в форме мелких пластинок графита.

Кремний — важнейший после углерода элемент в чугуне, он увеличивает его жидкотекучесть, улучшает литейные свойства и делает чугун более мягким. Марганец повышает прочность чугуна.

Сера в чугуне — вредная примесь, вызывающая красноломкость (образование трещин в горячих отливках). Она ухудшает жидкотекучесть чугуна, делая его густым, вследствие чего он плохо заполняет форму.

Фосфор понижает механические свойства чугуна и вызывает хладноломкость (образование трещин в холодных отливках).

   Состав и свойства чугуна

 

Рис. 1. Фазовая диаграмма стабильного равновесия Fe —С 
Фазовая диаграмма состояния Fe — С (стабильная) представлена на рис. 1 (штриховые линии соответствуют выделению графита, а сплошные — цементита). Температуры плавления чугунов значительно ниже (на 300...400 °С), чем у стали

Бе́лый чугу́н - вид чугуна, в котором углерод в связанном состоянии в виде цементита, в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. В структуре такого чугуна отсутствуют видимые включения графита и лишь незначительная его часть (0.03-0.30%) обнаруживается тонкими методами химического анализа или визуально при больших увеличениях. Основная металлическая масса белого чугуна состоит из цементитной эвтектики, вторичного и эвтектоидного цементита, а легированного белого чугуна - из сложных карбидов и легированного феррита. Отливки белого чугуна обладают износостойкостью, относительной жаростойкостью и коррозионной стойкостью. Наличие в части их сечения структуры, отличной от структуры белого чугуна, понижает эти свойства. Прочность белого чугуна снижается с увеличением содержания в нём углерода, а следовательно, и карбидов. Твёрдость белого чугуна возрастает с ростом доли карбидов в его структуре, а следовательно, и с увеличением содержания углерода.  
Наивысшую твёрдость имеет белый чугун с мартенситной структурой основной металлической массы. Коагуляция карбидов резко снижает твёрдость чугуна.  
          При растворении в карбиде железа примесей и образовании сложных карбидов твёрдость их и белого чугуна повышается. По интенсивности влияния на твёрдость белого чугуна основные и легирующие элементы располагаются в следующей последовательности, начиная с углерода, определяющего количество карбидов и интенсивнее иных элементов увеличивающего твёрдость чугуна.  
 
C - никель - P - Mn - Cr - Mo - V - Si - Al - Cu - Ti - S. Действие никеля и марганца, а отчасти хрома и молибдена, обуславливается их влиянием на образование мартенситно - карбидной структуры и содержание их в количествах, соответствующих содержанию в чугуне углерода, обеспечивает максимальную твёрдость белого чугуна.    
        Особо высокий твёрдостью НВ 800-850 обладает чугун с содержанием 0.7-1.8% бора. Белый чугун является весьма ценным материалом для деталей, работающих в условиях амортизации при очень высоких удельных давлениях и преимущественно без смазки. Прямая зависимость между износостойкостью и твёрдостью отсутствует; твёрдость не определяет износостойкость, но должна учитываться в совокупности со структурой чугуна. Лучшей износостойкостью обладает белый чугун с тонким строением основной металлической массы, в которой в виде отдельных мелких и равномерно распределённых включений или в виде тонкой сетки расположены карбиды, фосфиды и пр.  
        Структура основной металлической массы определяет и специальные свойства легированного чугуна - его коррозионную стойкость, жаропрочность, электросопротивление. В зависимости от состава и концентрации легирующих элементов, основная металлическая масса легированного белого чугуна может быть карбидо - аустенитной, карбидо - перлитной и, помимо этого, содержать легированный феррит. Основным легирующим элементом при этом является хром, связывающий углерод в карбиды хрома и сложные карбиды хрома и железа.  
        Твёрдые растворы этих карбидов обладают высоким электродным потенциалом, близким к потенциалу второй структурной составляющей основной металлической массы чугуна - хромистого феррита, а возникающие защитные окисные плёнки определяют повышенную коррозионную стойкость высокохромистого белого чугуна. В присутствии хрома как дополнительного компонента существенно повышается температурная стойкость карбидов в связи со значительным замедлением диффузионных процессов при комплексном легировании. Эти характерные особенности легированного белого чугуна определили области его использования в зависимости от структуры в качестве нержавеющего и магнитного чугуна и чугуна с высоким электросопротивлением.               
         Чугун серый — сплав железа с графитом, который присутствует в виде пластинчатого или волокнистого графита. 
Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации,текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широкоприменяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров.Кроме углерода, серый чугун всегда содержит в себе другие элементы. Важнейшие из них это кремний имарганец. В большинстве марок серого чугуна содержание углерода лежит в пределах 2.4-3.8 %, кремния 1-4% и марганца до 1.4 %.

Применение. 
        Серый чугун — наиболее широко применяемый вид чугун (машиностроение, сантехника, строительные конструкции) — имеет включения графита пластинчатой формы. Для деталей из серого чугун характерны малая чувствительность к влиянию внешних концентраторов напряжений при циклических нагружениях и более высокий коэффициент поглощения колебаний при вибрациях деталей (в 2—4 раза выше, чем у стали). Важная конструкционная особенность серого чугун — более высокое, чем у стали, отношение предела текучести к пределу прочности на растяжение. Наличие графита улучшает условия смазки при трении, что повышает антифрикционные свойства чугун Свойства серого чугун зависят от структуры металлической основы, формы, величины, количества и характера распределения включений графита. Перлитный серый чугун имеет высокие прочностные свойства и применяется для цилиндров, втулок и др. нагруженных деталей двигателей, станин и т.д. Для менее ответственных деталей используют серый чугун с ферритно-перлитной металлической основой.  
         Белый чугун представляет собой сплав, в котором избыточный углерод, не находящийся в твёрдом растворе железа, присутствует в связанном состоянии в виде карбидов железа Fe3C (цементит) или т. н. специальных карбидов (в легированном чугун). Кристаллизация белых чугун происходит по метастабильной системе с образованием цементита и перлита. Белый чугун вследствие низких механических свойств и хрупкости имеет ограниченное применение для деталей простой конфигурации, работающих в условиях повышенного абразивного амортизации. Легирование белого чугун карбидообразующими элементами (Cr, W, Mo и др.) повышает его износостойкость.  
         Половинчатый чугун содержит часть углерода в свободном состоянии в виде графита, а часть — в связанном в виде карбидов. Применяется в качестве фрикционного материала, работающего в условиях сухого трения (тормозные колодки), а также для изготовления деталей повышенной износостойкости (прокатные, бумагоделательные, мукомольные валки). 
         Чугун с 5—7% Si (силал) применяется в качестве жаростойкого материала. Чугун с 12—18% Si (ферросилид) обладает высокой коррозионной стойкостью в растворах солей, кислот (кроме соляной) и щелочей. Такой чугун, легированный молибденом (антихлор), характеризуется высокой стойкостью в соляной кислоте. Чугун кислотdash;25% Al (чугаль) обладает наибольшей по сравнению с известными чугун жаростойкостью в воздушной среде и средах, содержащих серу. В качестве износостойких наибольшее распространение получили чугун, легированные Cr (до 2.5%) и никель (до 6%) — нихарды. Аустенитные никелевые чугун, легированные Mn, Cu, Cr (нирезисты), применяются как коррозионностойкие и жаропрочные.

Химические методы анализа чугуна

1. КУЛОНОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД  ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЩЕГО УГЛЕРОДА. 
 Навеску чугуна или стали сжигают в печи в токе кислорода при температуре от 1200 до 1250 °C. Образующийся углекислый газ поглощается раствором и вызывает повышение кислотности, что, в свою очередь, приводит к изменению э.д.с. индикаторной системы pH-метра. 
 Количество электричества, необходимое для достижения первоначального значения pH поглотительного раствора и пропорциональное концентрации углерода в пробе, фиксируется специальным кулонометром - интегратором тока, показывающим непосредственное количество углерода в пробе (в процентах).

2. ГАЗООБЪЕМНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДА. 
 Метод основан на сжигании навески стали или чугуна в токе кислорода при температуре от 1200 до 1250 °C с последующим поглощением образовавшегося углекислого газа раствором едкого калия.        Массовую долю углерода определяют по разности между первоначальным объемом газов и объемом, полученным после поглощения углекислого газа раствором едкого кали.

3. ОБЪЕМНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ СЕРЫ. 
 Метод основан на сжигании навески стали или чугуна в токе кислорода при температуре от 1200 до 1250 °C с поглощением образующейся двуокиси серы водой и титрования сернистой кислоты раствором йода или смесью йодноватокислого и йодистого калия в присутствии индикатора крахмала.

4. ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОСФОРА В ЧУГУНАХ, УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ. 
 Фотоколориметрический метод определения фосфора основан на образовании растворимой комплексной соли фосфорномолибденовой гетерополикислоты, окрашивающей раствор в интенсивный желтый цвет, с последующим восстановлением молибдена в комплексе до синего цвета, так называемой молибденовой сини, которая более чувствительна. Интенсивность окрашивания при соблюдении определенных условий пропорциональна массовой доле фосфора. Чувствительность метода составляет 0.00001 г фосфора в 50 куб. см раствора. Фотометрирование проводят с красным светофильтром, в основном в солянокислой среде при оптимальной кислотности не выше 0.62 н.

5. ЭКСТРАКЦИОННО-ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОСФОРА В ЧУГУНАХ, НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ И ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ. 
 Метод основан на экстрагировании желтой формы фосфорномолибденовой гетерополикислоты изоамиловым спиртом с последующим восстановлением до молибденовой сини раствором хлористого олова непосредственно в экстракте. При использовании данного варианта не мешают мышьяк, кремний, хром, никель. Влияние ванадия устраняют введением в раствор насыщенного раствора соли Мора, восстанавливая его при этом до 4-валетного состояния.

6. ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОСФОРА И КРЕМНИЯ В УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЯХ И ЧУГУНАХ (ИЗ ОДНОЙ НАВЕСКИ). 
 Сущность метода состоит в том, что растворение навески проводят в условиях, необходимых для определения фосфора, и первоначально создают кислотность (pH <= 0.5 н по серной кислоте), необходимую для образования фосфорномолибденового комплекса, который восстанавливают гидроксиламином. После фотометрирования фосфорномолибденового комплекса в аликвотной части раствора (его разрушают добавлением аммония надсернокислого) создают кислотность для образования только кремнемолибденового комплекса, который восстанавливают тиомочевиной, в качестве катализатора используют медь сернокислую.

7. ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРЕМНИЯ В СТАЛЯХ. 
 Метод основан на образовании окрашенного в синий цвет комплексного соединения кремния с молибденовокислым аммонием в сернокислой среде с применением в качестве восстановителя двойной сернокислой соли закиси железа - аммония (соли Мора). Интенсивность окрашивания пропорциональна содержанию кремния. Чувствительность метода 0.000005 г в 100 куб. см раствора. Кремнемолибденовая кислота устойчива в широком интервале кислотности вплоть до 5 н.

8. ОБЪЕМНЫЙ ПЕРСУЛЬФАТНО-СЕРЕБРЯНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРГАНЦА В УГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ, СОДЕРЖАЩИХ МЕНЕЕ 2.0% ХРОМА. 
 Метод основан на окислении двухвалентного марганца в сернокислом растворе до семивалентного надсернокислым аммонием в присутствии азотнокислого серебра. Образовавшаяся марганцовая кислота, окрашивающая раствор в характерно фиолетово-красный цвет, восстанавливается серноватистокислым натрием. Определению марганца мешают наличие хрома свыше 1.5% и ионы хлора.

9. ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАРГАНЦА В ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЯХ. 
 Метод основан на окислении двухвалентного марганца в марганцовую кислоту в кислой среде персульфатом аммония в присутствии катализатора - азотнокислого серебра. Образующаяся марганцовая кислота, окрашивающая раствор в характерный малиново-красный цвет, имеет максимум светопоглощения при лямбда = 525 нм.

10. ФОТОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХРОМА (0.01 – 0.05%). 
 Метод основан на окислении дифенилкарбазида шестивалентным хромом в сернокислой среде (от 0.2 до 0.5 н) и измерении интенсивности окраски полученного соединения, окрашенного в красно-фиолетовый цвет (лямбда = 536 нм). Влияние трехвалентного железа устраняют прибавлением фосфорной кислоты.